JPH06173699A - 発電装置用内燃機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】複数気筒のガス内燃機関を使用して効率の良い
安定した発電ができる小規模発電システムの提供。 【構成】主発電機３を駆動して発電電力を得るガス内燃
機関の気筒をグループ化し、各グループごとに排気系統
をまとめてそれぞれ排気エネルギーを電力として回収す
るエネルギー回収装置５，７を設けると共に、これら回
収措置の下流にはこれらから排出される排気ガスの残留
エネルギーを更に電力として回収できる噴口開度可変形
（ＶＧＳ型）のタービンを持ったエネルギー回収装置を
配置し、需要電力の大きさに応じて上記グループの組合
せを行って、各気筒は常時高効率運転となるように制御
されると共に、これにつれて上記各エネルギー回収装置
は、各気筒から排出される排気ガスで十分にタービンが
回転されて効率よく排気エネルギーを回収し、更にこれ
らの下流に設けられたタービンは排気ガス量に応じて絞
り比を変えて高効率運転され、排気エネルギーを電力と
して回収する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、発電装置用内燃機関の
制御装置に関し、特にそれぞれの需要家に設置できるよ
うな小型の発電装置用内燃機関の制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】日本で採用されている発送配電システム
は、発電を水力、火力及び原子力による３者の大型発電
設備で行い、これら大型発電設備により発電された電力
は都市近郊に設けられた大型変電設備に送られ、変電の
後、都市に設けられた配電設備に送られ、各配電設備か
ら各需要家にそれぞれ必要な電力を分配する。そして、
各変電設備及び配電設備間は互いに連結されてネットワ
ーク化されていて、不測の事故などの場合に互いの送配
電設備間で電力の融通を計ることができるようなシステ
ムが採られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで上記のような
システムは、現在極めて有効に機能しており、あまり欠
点はないが、強いて欠点をいえば、発電設備から各需要
家までの間の電力損失が大きいことと、実際に発生した
不測の大事故発生時に、各送配電設備間のバックアップ
が間に合わず、大きな区域で大停電が発生するというこ
とが挙げられる。最近では、このような欠点をなくする
ため、各需要家ごとに小発電設備を設置するようなプロ
ジェクトが進行している。

【０００４】本発明は、上述のような事情に鑑みなされ
たものであり、その目的は、小規模の内燃機関を使用し
て効率の良い安定した発電を行なうことができるような
小規模発電システムを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上述のような本発明の目
的を達成するために、本発明は、ガス燃焼用の副室と主
室との間に連絡流路弁を設け、副室内の燃焼ガス圧を連
絡流路弁の開弁力に利用する多気筒形のエンジンと、該
エンジンにより駆動される主発電機と、グループに纒め
られた前記エンジンの複数の排気孔にそれぞれ設けられ
た、発電機を有するターボチャージャと、これらターボ
チャージャの下流に設けられた噴口開度可変形のタービ
ンと、該タービンにより回転駆動される発電機と、負荷
に供給される電力を検知する負荷計と、検出された負荷
電力により前記エンジンの気筒数を制御すると共に負荷
電力量に応じて前記それぞれの発電機の発電量を制御す
る制御装置とを有することを特徴とする発電装置用内燃
機関を提供する。

【０００６】

【作用】複数気筒のガス内燃機関により主発電機を駆動
して発電電力を得るようにすると共に、このガス内燃機
関の気筒をグループ化し、各グループごとに排気系統を
まとめてそれぞれのグループに排気エネルギーを電力と
して回収するエネルギー回収装置を設けると共に、これ
らエネルギー回収措置の下流にはこれらから排出される
排気ガスに残留するエネルギーを更に電力として回収す
ることができるＶＧＳ（可変タービンノズル流路面積）
型のタービンを持ったエネルギー回収装置を配置し、需
要電力の大きさに応じて上記グループの組合せを行っ
て、各気筒は常時高効率運転となるように制御されると
共に、これにつれて上記各エネルギー回収装置は、高効
率で運転された各気筒から排出される高圧高温の排気ガ
スで十分にタービンが回転されて効率よく排気エネルギ
ーを回収し、更にこれらの下流に設けられてタービンは
排気される排気ガス量に応じてＡ／Ｒ比を変えて、これ
も高効率運転されて排気エネルギーを電力として回収
し、回収された電力は主発電機から発電された電力に加
算されて負荷に配電する。

【０００７】

【実施例】次に本発明の一実施例を、図面を用いて詳細
に説明する。図１は、本発明の全体を示すブロック図で
ある。図１において、１は多気筒形のディーゼルエンジ
ンであり、この実施例では６気筒のものである。このエ
ンジンの燃料は、例えば、ブタンやプロパンを主体とし
た天然ガスであり、図１には燃料系統を図から省略して
ある。１ａはディーゼルエンジン１に対する燃料供給を
制御するガバナである。このディーゼルエンジン１は各
気筒をグループ毎に分割して運転することができ、この
実施例では、気筒Ｎｏ．１、５、６と気筒Ｎｏ．２、
３、４の２グループに分けられ、後に述べる気筒制御信
号によりこれらのグループがそれぞれ単独で機能するこ
ともでき、又これらのグループが同時に機能することも
できる。このディーゼルエンジン１の６本の吸気孔１ｃ
はひとまとめにされて、一括吸気される。この吸気は後
に述べるコンプレッサから供給される。排気孔１ｄはそ
れぞれのグループ毎に纒められ、それぞれ後に述べるタ
ービンに結合される。

【０００８】該ディーゼルエンジン１の回転軸１ｂに
は、主発電機３が結合され、該ディーゼルエンジン１に
より回転駆動されて発電する。５はタービンＴとコンプ
レッサＣとが回転軸同志結合され、その回転軸に発電機
Ｇが直結された一種のターボチャージャであり、タービ
ンＴは、ディーゼルエンジン１の気筒Ｎｏ，２，３，４
の排気孔１ｄに接続され、コンプレッサＣはディーゼル
エンジン１の吸気孔１ｃに接続されている。以後これを
ＴＣＧと呼ぶことにする。７はＴＣＧ５と同様な構成の
ＴＣＧであり、タービンＴは、ディーゼルエンジン１の
気筒Ｎｏ，１，５，６の排気孔１ｄに接続され、コンプ
レッサＣはディーゼルエンジン１の吸気孔１ｃに接続さ
れている。

【０００９】９はタービン発電機であり、タービンＴの
回転軸に発電機Ｇが結合されているものである。このタ
ービンはタービンノズルのガス流入面積と方向が可変形
のＶＧＳ形タービンであるが、ノズル絞りは無段可変の
ものではなく、１段目・・・１／４絞り、２段目・・・
１／２絞り、３段目・・・３／４絞り、４段目・・・全
開、のように、４段に切換えるような構成をとってい
る。１１は負荷に供給する電力を計測する負荷計であ
る。１３は調整器である。該調整器１３は、各発電機か
ら出力される電力を測定して、後に述べる制御装置１５
にそれらの発電電力信号を送ると共に、各発電機から送
られてくる交流電力をいったん直流電力に変換し、コン
デンサを主体とする蓄電装置にその電力を蓄電した後こ
れを所定の電圧と周波数を持った、商用電源に変換し、
この電力を負荷計１１を介して負荷に供給する。１５は
制御装置である。制御装置１５は、マイコンが主体の制
御装置であり、図２に示すように、エンジンの回転数セ
ンサ１０３、負荷センサ１０４やクランク軸位置センサ
１０５などからの検出信号が入力されると、所定の演算
や処理が行われて電磁弁制御器１０１や点火栓制御器１
０２にそれぞれ制御指令が発せられるように構成されて
いるほか、負荷計１１からの負荷電力を常時監視してお
り、主発電機３、ＴＣＧ５およびＴＣＧ７、タービン発
電機９からの発電電力の合計が常に負荷計１１の供給負
荷電力となるように、各発電機の発電電力を個々に整御
している。

【００１０】本発明に係る発電システムに使用されてい
るエンジンはガス燃料を効率よく燃焼させる新規なエン
ジンであり、その詳細を説明する。図２は該ガスエンジ
ンを示す構成ブロック図であり、２１はピストン、２２
はシリンダで、ピストン２１の上部には高強度で耐熱性
を有するセラミックスのピストンヘッド３１が遮熱ガス
ケット３３を介してピストン胴部３２に取付けられてい
る。

【００１１】高強度のセラミックスからなるシリンダヘ
ッド４１の上方には耐熱性のあるセラミックスの副燃焼
室（副室）２３が取付けられ、該副室２３と主燃焼室
（主室）４２との連絡孔４３には下方に移動して開弁す
る連絡流路弁２４が配置されており、そのステム６１は
副室２３の上部の軸穴５１により上下に移動自在に保持
されるとともに、軸穴５１の上方の電磁機構６２の駆動
によって連絡孔４３の開閉が行われるように構成されて
いる。

【００１２】２５は空気導入弁で、副室２３と主室４２
との間のサブ流路となる空気通路４４に取付けられ、圧
縮行程における主室４２からの空気を副室２３に取入れ
て初期の燃焼用空気とするもので、そのステム７１は副
室２３の側壁上方の軸受５２に支持され、上部に設けら
れた電磁石７２への通電により空気通路４４を開放する
ものである。なお、空気導入弁２５の軸受５２と前記の
連絡流路弁２４の軸穴５１とにはＣａＰ2 Ｏ6 にグラフ
ァイトを加えた素材のブッシュ５４とブッシ５３とがそ
れぞれ埋め込まれている。

【００１３】２６は点火栓で、前記の空気通路４４の上
方の副室側壁に装着されて火花放電を行うもので、その
放電ギャップ部８１と副室２３の室内との間にはエアー
ポケット５５の空間が設けられ、空気通路４４からの空
気と、ガス燃料弁２７を介する燃料タンク９１からのガ
スとの混合気に着火するものである。

【００１４】つぎに、１０１は電磁弁制御器で電磁機構
６２や電磁石７２への通電を制御して連絡流路弁２４や
空気導入弁２５を開閉制御するもの、１０２は点火栓制
御器で点火栓２６に対して高電圧の通電制御をするもの
で、これらの制御器１０１，１０２に対しては制御装置
１５から制御指令が発せられる。なお、図面が複雑にな
るので、図２には示されてはいないが、実際のシリンダ
ヘッド４１には、吸気孔１ｃにつながる通常の吸気弁機
構と通常の排気孔１ｄにつながる排気弁機構が設けられ
ている。

【００１５】上記エンジンの動作を簡単に説明すると、
図に示されていない吸気弁が開弁しピストン２１が最上
位置から降下を開始すると、主室４２内に新気が吸入さ
れ、ピストン２１が際下端に到達したところで吸気弁が
閉弁する。ピストン２１が上昇を始めると主室４２内の
空気は断熱圧縮される。ピストン２１が上死点に到達す
る少し前にガス燃料弁２７が開き、燃料タンク９１から
図に示されていない燃料ポンプにより圧縮されたガス燃
料が副室２３内に導入される。この燃料ポンプは、負荷
の大きさにより、燃料供給量を大まかに、供給量が少な
い方から第１段目、第２段目、第３段目及び第４段のよ
うに４段に分けて供給し、制御装置１５からの指令でさ
らに、各段において微調整される。続いて電磁石７２が
駆動されて空気導入弁２５が開くと、圧縮された空気が
空気通路４４からエアポケット５５および副室２３内に
空気が導入される。これと同時に、点火栓制御器１０２
が動作し、点火栓２６に火花が発生すると、これによ
り、エアポケット及び副室内のガスが燃焼を始め、膨張
を開始する。このとき、ピストンは上死点付近に到達し
ている。そして、電磁弁制御器１０１動作し、電磁機構
４２が動作し、連絡路弁２４が開方向に動作される。こ
のとき、ガスの燃焼により上昇した副室内の圧力は、連
絡通路弁２４の開動作の補助力となる。

【００１６】副室内に発生した火炎は、連絡孔４３を通
して主室４２に流れ込み、燃焼ガスは、主室の中で燃焼
膨張する。この膨張力によりピストン２１は下方に押し
下げられ、下死点に到って排気弁が開弁し、燃焼ガスは
排気ガスとなって排気孔１ｄ方向に流れ、ピストンの上
昇に連れて主室の中の排気ガスは排出される。なお、こ
の途中において、連絡通路弁２４及び空気導入弁２５は
閉じられる。

【００１７】次に図１に示す発電装置用内燃機関の制御
装置の動作を、図３に示す流れ図を用いて詳細に説明す
る。ステップ１において制御装置１５は負荷計１１及び
クランク各位置センサ１０５からエンジンの負荷すなわ
ち負荷に供給している電力値とクランク角度を検出し、
制御装置１５内のメモリに記憶させる。ステップ２にお
いて検出されたエンジンの負荷Ｌは、第１の比較負荷値
Ｌ１（全負荷値のほぼ１／４）と比較される。エンジン
負荷Ｌが比較負荷値Ｌ１よりも小さいときにはステップ
３に進む。ステップ３では、燃料タンク９１下流に設け
た燃料ポンプ（未図示）を駆動し、制御装置１５は気筒
制御信号をエンジン１に送って、気筒Ｎｏ．１、５、６
に所定量の燃料を供給すると共に、ステップ４、５、６
でこれら気筒の吸排気弁、燃料弁、連絡流路弁、空気導
入弁を動作させて気筒Ｎｏ．１、５、６を動作させる。
このときこれらの気筒は、それぞれ１／２負荷で運転さ
れる。したがって、エンジン１の全負荷の１／４の出力
で主発電機３が駆動され、ここで発電された電力は調整
器１３に送られる。さらに、気筒Ｎｏ．１、５、６が運
転されているとき、他の気筒すなわち、Ｎｏ．２，３，
４は休止させ、かつこれらが気筒Ｎｏ．１、５、６の負
荷にならないようにしておかなければならない。そのた
めに、ステップ７でこれらの気筒のピストンが上死点Ｔ
ＤＣの直前の位置θｒ１に到達したとき、これらの排気
弁をあけ、空気を排出した後、排気弁を閉じ（ステップ
８および９）、ＴＣＧ５を不動作にし（ステップ１
０）、ＴＣＧ７を動作させて（ステップ１１）排気ガス
中のエネルギを発電機で電気として回収し、調整器１３
に送られる。制御装置１５では、調整器１３に送られた
電力を制御装置内のメモリに記憶されたエンジン負荷と
比較し、エンジンに供給される燃料を調整して、これら
の均衡を計る。なお、上記の運転状態では、ＴＣＧ７か
ら排出される排気ガスが少ないので、タービン発電機９
のノズルを１段目迄絞ってＡ／Ｒ比を調整しても、ここ
で発電する電力は僅かなものである。

【００１８】次に、ステップ２に戻って、エンジン負荷
Ｌが比較負荷値Ｌ１よりも大きいときには、ステップ１
２に進む。ここで、前記ステップ２において、検出され
たエンジンの負荷Ｌが、第２の比較負荷値Ｌ２（全負荷
値のほぼ１／２）と比較される。エンジン負荷Ｌが比較
負荷値Ｌ２よりも小さいときには、ステップ１３に進
む。ステップ１３では、燃料タンク９１の下流に設けた
燃料ポンプ（未図示）を駆動し、制御装置１５は気筒制
御信号をエンジン１に送って、気筒Ｎｏ．１、５、６に
所定量の燃料を供給すると共に、ステップ１４、１５、
１６でこれら気筒の吸排気弁、燃料弁、連絡流路弁、空
気導入弁を動作させて気筒Ｎｏ．１、５、６を動作させ
る。このときこれらの気筒は、それぞれ全負荷で運転さ
れる。したがって、エンジン１の全負荷の１／２の出力
で主発電機３が駆動され、ここで発電された電力は調整
器１３に送られる。さらに、気筒Ｎｏ．１、５、６が運
転されているとき、他の気筒すなわち、Ｎｏ．２，３，
４は休止させ、かつこれらが気筒Ｎｏ．１、５、６の負
荷にならないようにしておかなければならない。そのた
めに、ステップ１７でこれらの気筒のピストンが上死点
ＴＤＣの直前の位置θｒ１に到達したとき、これらの排
気弁をあけ、空気を排出した後、排気弁を閉じ（ステッ
プ１８および１９）、ＴＣＧ５を不動作にし（ステップ
２０）、ＴＣＧ７およびタービン発電機９を動作させて
（ステップ２１）排気ガス中のエネルギを発電機で電気
として回収し、調整器１３に送られる。制御装置１５で
は、調整器１３に送られた電力を制御装置内のメモリに
記憶されたエンジン負荷と比較し、エンジンに供給され
る燃料を調整してこれらの均衡を計る。なお、上記の運
転状態では、ＴＣＧ７から排出される排気ガスはそう多
くはないので、タービン発電機９のノズルを２段目迄絞
ってＡ／Ｒ比を調整して最高の効率で発電される。

【００１９】ステップ１２に戻って、エンジン負荷Ｌが
比較負荷値Ｌ２よりも大きいときには、ステップ２２に
進む。ここで、前記ステップ２において検出されたエン
ジンの負荷Ｌが、第３の比較負荷値Ｌ３（全負荷値のほ
ぼ３／４）と比較される。エンジン負荷Ｌが比較負荷値
Ｌ３よりも小さいときには、ステップ２３に進む。ステ
ップ２３では、燃料タンク９１の下流に設けた燃料ポン
プ（未図示）を駆動し、制御装置１５は気筒制御信号を
エンジン１に送って、全気筒に所定量の燃料を供給する
と共に、ステップ２４、２５、２６でこれら気筒の吸排
気弁、燃料弁、連絡流路弁、空気導入弁を動作させて全
気筒を動作させる。このときこれらの気筒は、それぞれ
３／４負荷で運転される。したがって、エンジン１の全
負荷の３／４の出力で主発電機３が駆動され、ここで発
電された電力は調整器１３に送られる。ＴＣＧ５、ＴＣ
Ｇ７を動作させ（ステップ２７）、タービンのノズルを
第３段目迄絞り、タービン発電機９を動作させて（ステ
ップ２８）排気ガス中のエネルギを発電機で電気として
回収し、調整器１３に送られる。制御装置１５では、調
整器１３に送られた電力を制御装置内のメモリに記憶さ
れたエンジン負荷と比較し、エンジンに供給される燃料
を調整して、これらの均衡を計る。なお、上記の運転状
態では、ＴＣＧ７から排出される排気ガスはそう多くは
ないので、タービン発電機９のノズルを３段目まで絞っ
てＡ／Ｒ比を調整して最高の効率で発電される。

【００２０】ステップ２２に戻って、ここで前記ステッ
プ２において検出されたエンジンの負荷Ｌが、第３の比
較負荷値Ｌ３（全負荷値のほぼ３／４）と比較される。
エンジン負荷Ｌが比較負荷値Ｌ３と等しいかそれよりも
大きいときには、ステップ２９に進む。ステップ２９で
は、燃料タンク９１の下流に設けた燃料ポンプ（未図
示）を４段目駆動し、制御装置１５は気筒制御信号をエ
ンジン１に送って、全気筒に所定量（最大供給量）の燃
料を供給すると共に、ステップ３０、３１、３２でこれ
ら気筒の吸排気弁、燃料弁、連絡流路弁、空気導入弁を
動作させて全気筒を動作させる。このときこれらの気筒
は、それぞれ全負荷で運転される。したがって、エンジ
ン１の全負荷の出力で主発電機３が駆動され、ここで発
電された電力は調整器１３に送られる。ＴＣＧ５、ＴＣ
Ｇ７を動作させ（ステップ３３）、タービン発電機９の
タービンのノズルを第４段目迄絞り（全開）、タービン
発電機９を動作させて（ステップ３４）排気ガス中のエ
ネルギを発電機で電気として回収し、調整器１３に送ら
れる。制御装置１５では、調整器１３に送られた電力を
制御装置内のメモリに記憶されたエンジン負荷と比較
し、エンジンに供給される燃料を微量調整して、これら
の均衡を計る。

【００２１】上記の実施例では、エンジン１が４サイク
ルのものであるが、２サイクルのものであってもよい。
さらに上記実施例では点火栓２６でガスに点火している
が、空気導入弁２５を開き、空気をエアポケット５５な
いに導入したとき、ガスが発火してくれれば、点火栓を
省略あるいは点火動作を休止してもよい。

【００２２】以上、本発明を上述の実施例によって説明
したが、本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可
能であり本発明の範囲から排除するものではない。

【００２３】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明は、
複数気筒形のエンジンの各気筒を常に高効率状態で運転
できるように気筒を分割して運転し、かつ各気筒から排
出される高温高圧の排気ガスに含まれる排気エネルギー
を、これまた分割されたターボチャージャ、タービン発
電機が各々効率よく回収するように構成しているので、
このような発電システムを各需要家毎に配備すれば、総
配電線内の損出もなく、又事故が発生しても、当該需要
家のみで故障を収めることができる。又、エンジンも、
排気エネルギーを効率よく回収できるので、本発明に係
る、発電装置用内燃機関総合の効率も従来の内燃機関発
電機よりも向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のブロック構成図

【図２】本発明のエンジンの１つの気筒を示す断面図

【図３】本発明の動作を説明するフロー図

【符号の説明】

１・・・・・ディーゼルエンジン １ａ・・・・ガバナ １ｂ・・・・回転軸 １ｃ・・・・吸気孔 １ｄ・・・・排気孔 ３・・・・・主発電機 ５・・・・・ＴＣＧ ７・・・・・ＴＣＧ ９・・・・・タービン発電機 １１・・・・負荷計 １３・・・・調整器 １５・・・・整御装置 ２１・・・・ピストン ２２・・・・シリンダ ２３・・・・副室 ２４・・・・連絡流路弁 ２５・・・・空気導入弁 ２６・・・・点火栓 ２７・・・・ガス燃料弁 ３１・・・・ピストンヘッド ３２・・・・ピストン胴部 ３３・・・・遮熱ガスケット ４１・・・・シリンダヘッド ４２・・・・主室 ４３・・・・連絡孔 ４４・・・・空気通路 ５１・・・・軸穴 ５２・・・・軸受 ５３・・・・ブッシュ ５４・・・・ブッシュ ５５・・・・エアーポケット ６１・・・・ステム ６２・・・・電磁機構 ７１・・・・ステム ７２・・・・電磁石 ８１・・・・放電ギャップ部 ９１・・・・燃料タンク １０１・・・電磁弁制御器 １０２・・・点火栓制御器 １０３・・・回転数センサ １０５・・・クランク軸位置センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ０２Ｂ 37/02 Ｈ 9332−3Ｇ 63/04 Ｚ 7541−3Ｇ 75/18 Ｎ 7541−3Ｇ Ｆ０２Ｄ 17/02 Ｔ 7049−3Ｇ Ｃ 7049−3Ｇ Ｍ 7049−3Ｇ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ガス燃焼用の副室と主室との間に連絡流路
   弁を設け、副室内の燃焼ガス圧を連絡流路弁の開弁力に
   利用する多気筒形のエンジンと、該エンジンにより駆動
   される主発電機と、グループに纒められた前記エンジン
   の複数の排気孔にそれぞれ設けられた、発電機をを有す
   るターボチャージャと、これらターボチャージャの下流
   に設けられた噴口開度可変形のタービンと、該タービン
   により回転駆動される発電機と、負荷に供給される電力
   を検知する負荷計と、検出された負荷電力により前記エ
   ンジンの気筒数を制御すると共に負荷電力量に応じて前
   記それぞれの発電機の発電量を制御する制御装置とを有
   することを特徴とする発電装置用内燃機関。
2. 【請求項２】前記エンジンの副室に点火栓を設けたこと
   を特徴とする請求項１記載の発電装置用内燃機関。